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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2021/2022
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 057265 - BIOCOMPATIBILITY AND BIOMATERIALS
Docente Fare' Silvia , Mantero Sara
Cfu 5.00 Tipo insegnamento Corso Integrato

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (363) INGEGNERIA BIOMEDICAMCHAZZZZ057265 - BIOCOMPATIBILITY AND BIOMATERIALS

Obiettivi dell'insegnamento

L’insegnamento si propone di fornire allo studente le conoscenze di base della scienza e della tecnologia dei materiali, in particolare delle tre principali classi di materiali: metalli, polimeri e ceramici. Inoltre, allo studente verranno fornite competenze riguardanti i materiali che vengono impiegati in ambito biomedico, evidenziando le problematiche, i vantaggi e le principali applicazioni di questi. I possibili meccanismi di degradazione dei materiali polimerici e metallici verranno illustrati per meglio comprendere come questi possano influenzare la risposta dell’ambiente biologico in presenza di un biomateriale.

L’insegnamento prevede l'analisi dei meccanismi di interazione che si instaurano tra biomateriale/dispositivo e i tessuti biologici viventi. L’insegnamento si propone di fornire allo studente le conoscenze di base dell’interazione biologica e chimica che si instaura all'interfaccia dispositivo biomedico-organismo ospite, ovvero degli effetti dell’ospite sull’impianto e vice-versa. Tali interazioni che variano al variare dei biomateriali utilizzati e del luogo anatomico dell'impianto si basano su meccanismi di risposta fisio-patologica dei tessuti interessati quali l'infiammazione, la coagulazione del sangue e la risposta immunitaria. 

Verrà inoltre esplorata la materia della medicina rigenerativa, con particolare riguardo all'ingegneria dei tessuti biologici, con lo scopo di fornire agli studenti nozioni relative ai materiali maggiormente impiegati, agli strumenti ingegneristici utilizzabili per affrontare la progettazione di un sistema di coltura cellulare in condizioni dinamiche. Vengono identificate le specifiche generali di progetto deigli scaffold e dei bioreattori finalizzate all'applicazione biologica (ad es., tessuto osseo, tessuto muscolare, tessuto vascolare).  Nel corso dell’insegnamento verranno portati in aula esempi di biomateriali, scaffold, bioreattori utilizzati nella medicina rigenerativa al fine di poter illustrare aspetti più propriamente progettuali di funzionamento. 

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The course aims to provide the student with the basic knowledge of materials science and technology, in particular exploring the three main material classes: metals, polymers, and ceramics. In addition, the student will be given skills regarding materials that are used in the biomedical field, highlighting the problems, the advantages, and the main applications. The possible mechanisms of degradation of polymeric and metallic materials will be illustrated to better understand how they can influence the response of the biological environment in the presence of a biomaterial.

The course includes an analysis of the interaction mechanisms that are established between a biomaterial/device with living biological tissues. The course aims to provide the student with basic knowledge of the biological and chemical interaction established at the biomedical device-host organism interface, or of the effects of the host on the implant and vice versa. These interactions, which vary according to the biomaterials used and the anatomical implant site, are based on pathophysiological response mechanisms of the tissues such as inflammation reaction, blood coagulation, and immune response. 

The topic of regenerative medicine, with a particular focus on tissue engineering, will also be explored with the aim of providing students with knowledge of the most used biomaterials, the engineering tools that can be considered to design a cell culture system under dynamic conditions. The general design specifications of scaffolds and bioreactors will be identified and aimed at specific biological applications (e.g., bone tissue, muscle tissue, vascular tissue). During the course, examples of scaffolds and bioreactors will be brought into the classroom in order to illustrate more properly all design aspects of the systems. 


Risultati di apprendimento attesi

A seguito del superamento dell'esame, lo studente:

saprà definire le principali proprietà dei materiali utilizzati per realizzare dispositivi biomedici;

conoscerà e saprà spiegare i meccanismi fondamentali della degradazione dei materiali polimerici e della corrosione dei materiali metallici;

sarà in grado di valutare le possibili applicazioni dei biomateriali;

sarà in grado di applicare le conoscenze trasmesse a problemi di carattere biomedico;

avrà appreso e saprà spiegare come condurre la valutazione della biocompatibilità di materiali e dei dispositivi;

conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali e i meccanismi della risposta infiammatoria;

conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali e i meccanismi della coagulazione del sangue;

conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali e i meccanismi della risposta immunitaria;

sarà in grado di applicare le conoscenze trasmesse a problemi di carattere biomedico;

conoscerà in modo critico i concetti fondamentali dell'ingegneria dei tessuti biologici, legati alla sterilità del processo, allo scaffold e alla componente cellulare;

sarà in grado di formulare e risolvere problemi ingegneristici relativi alla progettazione di strutture 2D o 3D e dispositivi di coltura dinamica;

possiederà metodi e strumenti ingegneristici per affrontare problemi di progettazione nella realizzazione di scaffold e bioreattori per la medicina rigenerativa;

apprenderà, mediante azioni di didattica innovativa, competenze trasversali e soft skills.

 

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After passing the examination, the student:

will be able to define the main properties of the materials used to make biomedical devices;

will know and be able to explain the fundamental mechanisms of degradation of polymeric and metallic materials;

will be able to evaluate the possible applications of biomaterials in the biomedical field;

will be able to apply the knowledge to many biomedical problems;

will have learned and will know how to conduct the assessment of the biocompatibility of materials and devices;

will have learned and will be able to explain how to conduct the assessment of the biocompatibility of materials and devices;

will know and will be able to explain the fundamental concepts and mechanisms of the inflammatory response;

will know and will be able to explain the fundamental concepts and mechanisms of blood coagulation;

will know and will be able to explain the fundamental concepts and mechanisms of the immune response;

will have a critical knowledge of the fundamental concepts of biological tissue engineering, related to the sterility of the process, to the scaffold and to the cellular component;

will be able to formulate and solve engineering problems related to the design of 2D and 3D scaffolds and dynamic culture devices;

will possess methods and tools to address the design of scaffolds and bioreactors for regenerative medicine;

will learn, through innovative teaching actions, transversal skills, and soft skills.


Argomenti trattati

Materiali polimerici: struttura, ottenimento (naturali, sintetici), transizioni termiche e proprietà generali.
Materiali ceramici: struttura e proprietà.
Materiali metallici e leghe: struttura e proprietà.
Materiali compositi: principali proprietà.
Proprietà meccaniche dei materiali, metodi di valutazione e parametri ottenibili.
Tecnologie di lavorazione delle varie classi dei materiali, con particolare riferimento alle applicazioni biomedicali.
Metodi di sterilizzazione e problematiche connesse.
Degradazione dei materiali polimerici e dei materiali metallici con particolare riferimento all'ambiente corpo umano.
Principali tipi di biomateriali e loro impiego nella preparazione di dispositivi e protesi.

Le cellule e i tessuti: organizzazione e funzione. Composizione, struttura e funzioni della matrice extracellulare, funzioni dei principali tipi cellulari coinvolti nei meccanismi di difesa e riparo.

Meccanismi di difesa e fenomeni riparativi dell'organismo umano: riparazione e rimodellamento dei tessuti biologici, la coagulazione ematica, la reazione immunitaria, la reazione infiammatoria, il sistema del complemento.

Biocompatibilità e interazione biomateriali-corpo umano: effetti dell’impianto verso il corpo umano, effetti dei tessuti ospite verso il dispositivo impiantato, adesione batterica e calcificazione.

Principali tecniche di analisi per la valutazione dei biomateriali in vitro e a scopo diagnostico. 

Approccio alla medicina rigenerativa e all'ingegneria dei tessuti. Lo scaffold: requisiti richiesti, biomateriali e principali metodi di preparazione. Sistemi di coltura cellulare statici e dinamici.

Le esercitazioni verteranno sull’approfondimento di argomenti trattati a lezione. Durante le esercitazioni, gli studenti saranno chiamati inoltre a rispondere a domande concernenti argomenti specifici del corso. Queste attività verranno svolte impiegando strumenti di didattica innovativa.

Le attività progettuali prevedono, attraverso il coinvolgimento attivo degli studenti, il raggiungimento di un obiettivo assegnato dal docente e prevedono, in parte, lo sviluppo autonomo degli studenti organizzati in gruppi. Queste attività verranno svolte impiegando strumenti di didattica innovativa.

Le attività svolte durante le esercitazioni e le attività di laboratorio progettuale contribuiranno alla valutazione complessiva dell’insegnamento.

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Polymeric materials: structure, obtainment (natural, synthetic), thermal transitions, and general properties.
Ceramic materials: structure and properties.
Metal materials and alloys: structure and properties.
Composite materials: main properties.
Mechanical properties of materials, evaluation methods, and parameters obtainable.
Processing technologies of the various classes of materials, with particular reference to biomedical applications.
Sterilization methods and related problems.
Degradation of polymeric and metallic materials with particular reference to the human body environment.
Main types of biomaterials and their use in the preparation of devices and prostheses.

Cells and tissues: organization and function. Composition, structure and functions of the extracellular matrix, functions of the main cell types involved in defense and repair mechanisms.

Defense mechanisms and reparative phenomena of the human body: repair and remodeling of biological tissues, blood coagulation, immune reaction, inflammatory reaction, the complement system.

Biocompatibility and biomaterial-human body interaction: effects of the implant on the human body, effects of host tissues on the implanted device, bacterial adhesion, and calcification.

Main analytical techniques for the evaluation of biomaterials in vitro and for diagnostic purposes. 

Approach to regenerative medicine and tissue engineering. The scaffold: requirements, biomaterials, and main preparation methods. Static and dynamic cell culture systems.

The exercises will focus on deepening the topics covered in class. During the exercises, students will also be asked to answer questions concerning specific topics of the course. These activities will be carried out using innovative teaching tools.

The project activities provide, through the active involvement of students organized in groups, the achievement of an assigned goal. These activities will be carried out using innovative teaching tools.

The activities carried out during the course will contribute to the overall evaluation of the student.


Prerequisiti

Sono necessarie e propedeutiche conoscenze di chimica e fisica.

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Knowledge of chemistry and physics is required.


Modalità di valutazione

L’esame consiste in una prova scritta sull'intero programma dell’insegnamento, nella quale viene chiesto allo studente di rispondere a domande a risposta aperta o multipla su concetti fondamentali trattati durante il corso, utilizzando il formalismo e la terminologia appropriati.

In sede d’esame finale lo studente deve dimostrare di:

· aver acquisito concetti riguardanti la classificazione e le principali applicazioni dei biomateriali;

· aver acquisito concetti riguardanti le tecnologie di lavorazione e le proprietà specifiche dei materiali appartenenti alle tre principali classi di materiali;

· saper discutere le possibili applicazioni dei biomateriali in ambito biomedico;

· conoscere le funzioni, i meccanismi e le componenti dell’emostasi, della risposta infiammatoria e dell’immunità;

· conoscere i meccanismi biologici (proteici e cellulari) che governano la risposta dei tessuti all'impianto di un biomateriale;

· applicare metodi e strumenti propri della bioingegneria chimica per valutare la biocompatibilità;

· saper gestire risorse e tempi per completamento del compito assegnato.

Nella valutazione dell'esame la determinazione del voto finale tiene conto dei seguenti elementi:

- capacità di analisi dei problemi;

- correttezza formale e sostanziale delle procedure individuate per la soluzione dei problemi;

- correttezza dei risultati ottenuti;

- conoscenza e comprensione degli argomenti;

- adeguatezza del linguaggio tecnico-scientifico utilizzato;

- autonomia di giudizio.

 

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The exam consists of a written test on the entire teaching program, in which the student is asked to answer closed or multiple choice questions on fundamental concepts covered during the course, using the appropriate formalism and terminology.

During the final exam, the student must demonstrate to:

· Have acquired concepts regarding the classification and main applications of biomaterials;

· Have acquired concepts concerning processing technologies and the specific properties of materials belonging to the three main classes of materials;

· Know how to discuss the possible applications of biomaterials in the biomedical field;

· Know the functions, mechanisms, and components of hemostasis, the inflammatory response, and immunity;

· Know the biological mechanisms (protein and cellular) that govern the response of tissues to the implantation of a biomaterial;

· Apply methods and tools typical of chemical bioengineering to evaluate biocompatibility;

· Know how to manage resources and times for completing the assigned task.

 

In evaluating the exam, the determination of the final grade takes into account the following elements:

- problem analysis skills;

- formal and substantial correctness of the procedures identified for solving problems;

- correctness of the results obtained;

- knowledge and understanding of the topics;

- adequacy of the technical-scientific language used;

- autonomy of judgment.


Bibliografia

Software utilizzato
Nessun software richiesto

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
25:00
40:00
Esercitazione
10:00
15:00
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
4:00
6:00
Laboratorio Di Progetto
10:00
15:00
Totale 49:00 76:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Inglese
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.9 / 1.6.9
Area Servizi ICT
30/11/2021